气体放电物理基础解析

气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME2）气体粒子的平均自由行程及其分布设粒子的自由行程大于x的概率为f(x)该粒子运动经过x距离后，在其后dx（dx<λ）距离内遭受碰撞的概率:

dx/λ。粒子在dx距离内不发生碰撞的概率:粒子的自由行程大于x+dx

的概率:如果位移dx足够小，则1–dx/λf(x+dx）粒子在x+dx距离内不发生碰撞的概率:f(x)(1–dx/λ)气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME其通解气体粒子运动时，其自由行程大于零的概率：100%C=13）气体粒子的自由行程大于x的概率:气体放电物理基础解析气体放电的物理基础7.气体间隙的击穿理论汤逊气体放电理论流注理论1）汤逊气体放电理论均匀电场中，假定：(1)当电子的动能小于气体粒子的电离能时，两者碰撞后不发生电离，反之，则一定电离；(2)电子和气体粒子碰撞时，放出全部动能，然后再从零速开始下一次行程；

(3)电子沿电场方向运动，不考虑其实际轨迹为“Z”字形的特征。HOME气体放电物理基础解析气体放电的物理基础

(1)α空间电离过程此时电子由电场所获得的能量:设某电子在电场强度为E的均匀电场中行经距离x而尚未发生碰撞。HOMEeEx如果该电子碰撞中性气体分子并使之发生电离，则必须满足条件:eEx≥Wi或Ex≥Vi为了能够引起电场电离，则该电子必须行经的运动距离:xi≥Vi/E只有那些自由行程大于xi

的电子，才可能与气体分子碰撞时使之发生电离。自由行程大于xi

的电子出现的概率:气体放电物理基础解析气体放电的物理基础单位距离内，一个电子的平均碰撞次数:HOME1/λ其中自由行程大于xi

的碰撞次数:设气体温度保持恒定，则电子的平均自由行程λ与气压p

成反比。A—比例系数电场电离次数，或称空间电离系数α1/λ=Ap气体放电物理基础解析气体放电的物理基础注意：系数A和B与气体压力p

和温度T

有关。HOME空间电离系数气体粒子平均自由行程λ

与气体的温度T

成正比。A和B与气体的温度T成反比。若标准温度T0下的系数分别为A0和B0，则当温度变化到T1时，系数也将随之改变成A1和B1。B=AVi气体放电物理基础解析气体放电的物理基础式中：

E

—电极间的电场强度；

p

—气体压力；

T

—气体绝对温度

；

A0和B0—系数。HOME设A0和B0系数为绝对零度T0下的系数，则任意温度T(绝对温度)下的系数A和B：

一个电子沿电场运动时，行径单位距离由于电场电离而产生的带电粒子对数（一个电子和一个正离子）。空间电离系数α的意义：气体放电物理基础解析气体放电的物理基础在汤逊放电理论中，这一气体电离过程被称为α空间电离过程。HOME在满足一定条件下，电极间气隙中所产生的新的自由电子以及原来已经存在的自由电子在电场的作用下，将会发生上述电场电离现象，进而电离出新的带电粒子。如果碰撞阴极时正离子所具有的能量足够高，则可能使得阴极表面发生所谓的二次发射，从而在电极间气隙中产生新的电子。

(2)γ表面电离过程如果电极间气隙中存在着正离子，则在电场的作用下这些正离子会向阴极运动，并在运动过程中积聚动能。在汤逊放电理论中，这一气体电离过程被称为γ

表面电离过程。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础两平行带电板组成的电极HOME0xxdxd-------阴极阳极N0

(3)气体击穿条件

设单位时间内从阴极出发的自由电子数为N0。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础

设单位时间内从阴极方面进入此狭小区域的电子数为N，则在通过dx区域后，由于电场电离（α空间电离）而产生新的电子数：

在x＝d处（即阳极表面）的电子数为：间隙中由于电场电离而产生的正离子数为：

HOME气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME在电场的作用下，这些由于电场电离而产生的正离子

将向阴极运动，最终将碰撞阴极。结果：引起阴极表面电离。γ表面电离过程而产生的电子数：气体放电物理基础解析气体放电的物理基础均匀电场产生气体间隙击穿的条件：HOME由于γ

表面电离过程而产生的电子数大于等于从阴极出发的初始电子数。或即气体放电物理基础解析气体放电的物理基础均匀电场产生气体间隙击穿的最低条件：均匀电场下空气间隙的击穿电压Ujc：HOME由于γ

表面电离过程而产生的电子数等于从阴极出发的初始电子数。或即

(4)气体击穿电压气体放电物理基础解析气体放电的物理基础铜电极时空气的Ujc关于pd的理论及试验曲线HOME110100010-310-210-1102101pd/(Pa

·cm)Ujc/kV气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME

(5)提高气体的击穿电压措施①降低pd值高真空②提高pd值高气压高真空气体粒子密度低电子自由行程长有利于加速积累动能。产生电场电离数目太少。结果：不利于气体击穿的形成。气体击穿电压Ujc

将增高。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME高气压气体粒子密度高电子自由行程小不利于加速积累动能,电子与气体粒子的碰撞次数增高。结果：不利于气体击穿的形成。气体击穿电压Ujc

将增高。不能产生足够强烈的电场电离。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME

(6)汤逊气体放电理论的适用范围在一定的范围内（气压较低、pd值较小条件下），利用汤逊气体放电理论能够较好地解释气体击穿机理。pd值很小或很大条件下，气体放电及击穿机理将发生变化，汤逊气体放电理论不能很好解释气体击穿机理。pd值很小时（高真空）：

按照汤逊气体放电理论，当pd值很小时，电子的自由行程λ可远大于电极间的气隙距离，按照电场电离学说，电场电离将不可能发生，即气体击穿电压Ub趋于无穷大。但是，在强电场的作用下，阴极仍然会由于强电场发射而导致气体间隙的击穿。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOMEpd值很大时（高气压或较大的电极间隙）：根据汤逊气体放电理论，气体放电应在整个气体间隙中均匀且连续地发展，这在低气压下基本符合实验所观测的，如辉光放电现象。但在大气压下，气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细放电通道。①气体放电通道形状根据汤逊气体放电理论，气体间隙完成击穿需要经过多次α空间电离过程和γ

表面电离过程，由此所计算出的放电时间在低气压下与实验结果比较一致。但在大气隙条件下，计算值要比实测值大很多。②气体放电时间气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME当pd值较小时，选择合适的表面电离（发射）系数γ值，根据汤逊气体击穿条件所求得的击穿电压与实验值比较一致。但pd值较大时，如果仍采用原来的γ值，则击穿电压计算值与其实验值存在较大偏差。③击穿电压根据汤逊气体放电理论，阴极材料的性质对气体放电及击穿应具有一定的影响，因为表面电离系数γ与阴极材料有关。实验表明，低气压下阴极材料对气体击穿电压有一定的影响，但在大气压下空气中的实测击穿电压却与阴极材料无关。④阴极材料的影响通常认为，空气中pd>200(cm•133Pa)后，气体击穿机理将发生改变，不能用汤逊气体放电理论来解释了。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础2）流注理论（1）电子崩：

电子和正离子的集合体。HOMEN+N-N0xEexE0xE+E-E0xEex崩头和崩尾部分的电场强度增大。电子崩内部的电场被减弱。当外施电场较弱时，电离不强烈。电子崩经过整个电极间隙后，电子进入阳极，正离子在阴极上发生复合而失去电荷成为中性粒子。电子崩随之便消失。气体不会发生击穿现象。气体放电物理基础解析气体放电的物理基础外施电场足够强，达到了其击穿场强。HOME电子崩头部开始形成流注。（2）流注①正流注气体放电物理基础解析气体放电的物理基础等离子体HOME该区域内部的正、负离子密度大致相等，且具有良好的导电特性，内部的电场强度不大。正流注气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOME

②负流注气体放电物理基础解析气体放电的物理基础HOMEpd值很大时（高气压或较大的电极间隙）：流注(等离子体):（1）气体放电通道形状根据流注理论，第二代电子崩以及流注主要是由光电子发展而来的，由于光子的传播速度极快（光速），所以流注的发展速度也极快，因此，pd很大时放电时间也就特